SEPPO KIVIVUORI. Lämpökäsittelyoppi 2 LÄMPÖKÄSITTELYTIETOA SUUNNITTELIJOILLE

Transkriptio

1 SEPPO KIVIVUORI Lämpökäsittelyoppi 2 LÄMPÖKÄSITTELYTIETOA SUUNNITTELIJOILLE 3

2 Esipuhe Vuonna 2004 ensimmäisen kerran julkaistu Lämpökäsittelyoppi esittää lämpökäsittelyiden suoritusta yksityiskohtaisesti. Kirja on saanut erittäin hyvän vastaanoton ja sitä on kaikkiaan myyty yli 1000 kappaletta kymmenen vuoden aikana. Kirjaa on käytetty sekä oppimateriaalina ammattikorkeakouluissa ja yliopistoissa että teollisuuden lämpökäsittelyistä vastaavien henkilöiden käsikirjana. Kivivuori Consulting Oy:n laatima kirja Lämpökäsittelyoppi 2 Lämpökäsittelytietoa suunnittelijoille on jaettu kymmeneen lukuun, jotka käsittelevät kukin oman alueensa tuotteiden valmistusketjua. Kirjan sisällön suunnitteluun ja laatimiseen on osallistunut suuri joukko henkilöitä: Kirjan laatimisen tukena on ollut Teknologiateollisuuden Lämpökäsittely ja takomot -toimialaryhmän työryhmä, johon ovat kuuluneet: Lars Lindholm, Sarlin Oy Ab Teollisuusuunit (puheenjohtaja), Antti Piensoho, Stén & Co Oy Ab, Antti Mikkola, Oy Aga Ab, Pär Mickos, Waldec Oy Skaldomet, Ari Lindroos, Katsa Oy, Jouni Ruohola, Bodycote Lämpökäsittely Oy, Ronny Gröning, Fiskars Finland Oy Ab ja Jaakko Kivivuori, Kivivuori Con - sulting Oy. Heidän panoksensa tämän kirjan sisällön laadinnassa, etenkin luvun 4 Lämpökäsittelylaitteet ja niiden huolto osalta, on ollut huomattavan suuri. Erityisesti Antti Mikkolan ja Jouni Ruoholan osuus kappaleen 4.1 ja 4.2 osalta on ollut merkittävää. Ronny Gröning on laatinut alustavan käsikirjoituksen kappaleeseen 4.4 Induktiouunit. Myös Jaakko Kivivuori on laatinut käsikirjoituksen Kappaleeseen 1 Teräksen elinkaari ja vastannut kirjan kuvituksen toteuttamisesta. Kirjan laatimista ovat rahoittaneet Teknologiateollisuuden 100-vuotis - säätiö, Suomen Tietokirjailijat ry ja Teknologiateollisuus ry:n lämpökäsittely ja takomot -toimialaryhmä. Rahoittajien panos kirjan toteutumisessa on mer - kittävä. Kirja tulee olemaan kaivattu oppikirja alan opiskelijoille sekä käsikirja lämpökäsittelyalalla toimiville että lämpökäsittelyjä tarvitseville. Lämpökäsittely ja takomot -toimialaryhmä kiittää osaltaan Kivivuori Consulting Oy:tä sekä erityisesti professori Seppo Kivivuorta ja muita kirjan toteutumiseen osallistuneita ja vaikuttaneita. Helsingissä huhtikuussa 2016 Lämpökäsittely ja takomot -toimialaryhmä 4 ESIPUHE

3 Sisällysluettelo 1 TERÄKSEN ELINKAARI RAUDAN VALMISTUS JÄRVIMALMISTA NYKYAIKAINEN TERÄKSEN VALMISTUS Raakateräksen valmistaminen Teräksen valmistus kierrätysmateriaaleista JATKUVAVALU TERÄKSEN SULKEUMAT Sisäsyntyiset sulkeumat Ulkosyntyiset sulkeumat Teräksen puhdistus uudelleen sulattamalla KUUMAMUOKKAUS Valssaaminen Tankojen ja profiilien valmistaminen valssaamalla Levyn valmistus valssaamalla TERÄKSEN KÄYTTÖ RAKENNEMATERIAALINA Tuotesuunnittelu Materiaalin tehokas käyttö Materiaalin valinta ja suunnittelu TERÄKSESTÄ VALMISTETTUJEN TUOTTEIDEN KÄYTTÖ TERÄKSEN KIERRÄTYS Sisäinen kierrätys Ulkoinen kierrätys MITEN TERÄS SAA OMINAISUUTENSA METALLIEN RAKENNE Atomien pinoutuminen Metallisen hilan viat Metallien tasapainopiirrokset TERÄKSEN EPÄPUHTAUDET Epäpuhtauksien vähentäminen ja modifiointi Hyvin lastuttavat teräkset Matalan käyttölämpötilan teräkset TERÄSTEN SEOSTUS Austeniitin ja ferriitin stabiloijat Yleisimmin käytetyt seosaineet METALLIEN LUJUUS JA LUJITTAMISMEKANISMIT Lujitusmekanismit Liuoslujitus Erkautuslujitus Raekoon vaikutus lujuuteen... 57

4 2.5 MUOKKAUS Termomekaaninen valssaus TERÄKSEN FAASIEN MUODOSTUMINEN Austeniitin hajautuminen Perliitti, sen muodostuminen ja rakenne Bainiitin muodostuminen ja rakenne Jatkuvan jäähtymisen käyrät eli TTT- ja CCT-piirrokset JATKOJALOSTUS Tankotuotteiden pinnan viimeistelyt Levytuotteiden pinnan viimeistelyt Levyjen pinnoitus maalaamalla LÄMPÖKÄSITTELYT HEHKUTUKSET Sintraus Tasaushehkutus Normalisointi Perlitointi Pehmeäksihehkutus Jännitystenpoistohehkutus eli myöstöhehkutus Vedynpoistohehkutus Rekristallisaatiohehkutus KARKAISU JA PÄÄSTÖ Karkaisun suoritus Karkaistun kappaleen ominaisuudet Jäännösjännitykset Päästö Päästön haurausalueet Karkaistavat hiiliteräkset NUORRUTUS Nuorrutuksen suoritus Teräksen karkenevuus Nuorrutetun teräksen ominaisuudet Nuorrutusteräkset Booriseosteiset teräkset PINTAKARKAISU Liekki- ja induktiokarkaisu Raaka-aine HIILETYSKARKAISU Hiiletyskarkaisun suoritus Saavutettavat materiaaliominaisuudet Hiiletysteräkset Typpihiiletys Kuulapuhallus TYPETYS Typetysmenetelmät Typetyksen suorittaminen Raaka-aine

5 3.7 METALLIEN KYLMÄKÄSITTELYT Pakkaskarkaisu Kryokäsittely Laitteet VALURAUTOJEN JA -TERÄSTEN LÄMPÖKÄSITTELY Myöstö Normalisointi Bainitointi Austemperointi Adusointi RUOSTUMATTOMIEN TERÄSTEN LÄMPÖKÄSITTELYT ALUMIINISEOSTEN LÄMPÖKÄSITTELYT LÄMPÖKÄSITTELYLAITTEET JA NIIDEN HUOLTO UUNIATMOSFÄÄRIT Uuniatmosfäärin valinta Lämpökäsittelyuunit ilman suojakaasua Suojakaasun muodostaminen polttokaasuista Kemiallisesti reagoimaton uuniatmosfääri Kemiallisesti aktiivinen uuniatmosfääri Kaasun puhtausluokat UUNIT Kertapanosteiset uunit Jatkuvatoimiset uunit KYLVYT Suolakylvyt Metallikylvyt Leijupatjakylvyt INDUKTIOUUNIT ALIPAINEINEN ATMOSFÄÄRI LÄMPÖTILAN MITTAAMINEN TYÖTURVALLISUUS LÄMPÖKÄSITTELYLAITOKSISSA Tapaturmat Työpaikan hengitysilma Kaasuturvallisuus KUNNOSSAPITO OSANA LAADUNVARMISTAMISTA Kunnossapito Huollon digitalisoituminen Teollinen internet Älykkäät tuotantolaitteet

6 5 TERÄKSEN KONEPAJAKÄSITTELYT JA NIIHIN LIITTYVÄT LÄMPÖKÄSITTELYT VALAMINEN Valuprosessit Teräksen valmistuksen valuprosessit Valuraudat ja -teräkset Teräksen valamiseen liittyvät lämpökäsittelyt HITSAUS Sulahitsaus Puristushitsaus Hitsauksen aiheuttamat mikrorakennemuutokset Esikuumennus Hitsattujen rakenteiden lämpökäsittelyt TAKOMINEN Taonnan työvaiheet Takeen suunnittelu Takeiden ominaisuudet Takeiden kustannukset Taottavat materiaalit Seostamattomat ja niukkaseosteiset teräkset Runsasseosteiset teräkset Kuumataottujen kappaleiden lämpökäsittelyt Lämmintaonta Lämmintaonnan lämpökäsittelyt Terästen kylmätaonta Kylmämuovattujen tuotteiden lämpökäsittelyt PURSOTUS Pursotusmenetelmät Saumattomien putkien pursottaminen Saumallisten putkien pursotus Teräksen kuumapursotus Pursotettujen tuotteiden lämpökäsittelyt JAUHEMETALLURGISET MENETELMÄT Jauheen valmistus Isostaattinen kylmä- (CIP) ja kuumapuristus (HIP) Metallien ruiskuvalu eli MIM Metallikappaleiden 3D-tulostus Pulverimetallurgisten tuotteiden lämpökäsittelyt TERÄSOHUTLEVYJEN MUOVAUS Levynmuovausmenetelmät Materiaalin muovattavuus Rajamuovattavuuspiirros Muovattavat ohutlevyteräkset Ohutlevyjen lämpökäsittelyt LASTUAVA TYÖSTÖ Lastuaminen terällä Lastuavan työstön menetelmiä Lastuaminen hiomarakeilla Lastuavan työstön lämpökäsittelyt

7 6 AINEENKOETUS KOVUUSMITTAUKSET Kovuuden mittaustavat ja menetelmät Kovuusarvojen muuntaminen Standardit Kovuusmittausten suoritus Rockwell-kovuusmittaus Vickers-kovuus Kovuuden muunnostaulukot KARKENEVUUDEN MITTAAMINEN Jominykoe Lamontin menetelmä Mikroskopia Optinen mikroskopia Elektronimikroskopia Atomivoima- ja tunnelointimikroskooppi (AFM/STM) RIKKOVA AINEENKOETUS Metallien vetokoe Vetokokeessa määritettävät lujuus- ja sitkeysarvot Puristuskoe Staattiset taivutuskokeet Staattiset vääntö- ja leikkauskokeet Iskusitkeyskokeet Metallien väsytyskokeet LEVYNMUOVAUKSEN AINEENKOETUSKOKEET Vetokoe Todellinen jännitys ja todellinen venymä Vetokäyrän analyyttinen esitys Erichsenin ja Olsenin kokeet Plastinen venymäsuhde ja rajavetosuhde Rajamuovattavuuspiirros AINETTA RIKKOMATON AINEENKOETUS Silmämääräinen tarkastus Tunkeumanestetarkastus Magneettijauhetarkastus Radiografinen tarkastus Ultraäänitarkastus LÄMPÖKÄSITTELYN TILAUS TERÄKSEN TAI TERÄSTUOTTEEN TILAUS Ainestodistukset Jälkikäteen toimitettavat ainestodistukset LÄMPÖKÄSITTELYN TILAUS Lämpökäsittelyn tilauksen yhteydessä ilmoitettavat tiedot Raaka-ainetiedot Lämpökäsittelyn menetelmät

8 7.3 KÄSITTELYSYVYYDET Induktiokarkaisusyvyys Hiiletyssyvyys Typetyssyvyys PIIRUSTUSMERKINNÄT KARKAISUKÄSITTELYYN KULUVAN AJAN LYHENTÄMINEN LÄMPÖKÄSITTELYN KUSTANNUKSET Tuotantokustannukset Materiaalikustannukset Lämpökäsittelykustannukset Toimitusehdot ja tilauskaavake LIITE LIITE LIITE LÄMPÖKÄSITTELYT JA YMPÄRISTÖ MATERIAALITEHOKKUUS Teräksen valmistus Tuotteen valmistus Lämpökäsittely ENERGIATEHOKKUUS Uunien energiatehokkuus Liikenteen polttoainesäästöt Muottiinkarkaisu Suorasammutusteräkset YMPÄRISTÖTEHOKKUUS Kasvihuonepäästöt Päästöt ilmaan Päästöt vesistöihin Kiinteät jätteet LÄMPÖKÄSITTELYN SANASTO LÄMPÖKÄSITTELYYN LIITTYVÄ STANDARDISOINTI SFS-STANDARDIT EUROOPPALAINEN STANDARDISOINTI Yleisstandardit Testaus Turvallisuusstandardit VAHVISTETUT EUROOPPALAISET STANDARDIT HAKEMISTO